Ekranowanie pola magnetycznego z magnesem trwałym, ekranowanie zmiennego pola magnetycznego

Aby zmniejszyć siłę pola magnetycznego magnesu stałego lub zmiennego pola magnetycznego o niskiej częstotliwości z prądami przemiennymi w określonym obszarze przestrzeni, użyj ekranowanie magnetyczne… W porównaniu z polem elektrycznym, które jest dość łatwo ekranowane przez aplikację komórki Faradaya, pola magnetycznego nie można całkowicie ekranować, można je jedynie osłabić w pewnym stopniu w określonym miejscu.

W praktyce na potrzeby badań naukowych, w medycynie, w geologii, w niektórych dziedzinach techniki związanych z kosmonautyką i energetyką jądrową często ekranuje się bardzo słabe pola magnetyczne, wprowadzenie która rzadko przekracza 1 nT.

Mówimy zarówno o stałych polach magnetycznych, jak i zmiennych polach magnetycznych w szerokim zakresie częstotliwości. Na przykład indukcja pola magnetycznego Ziemi nie przekracza średnio 50 μT; takie pole, wraz z szumem o wysokiej częstotliwości, jest łatwiejsze do stłumienia przez ekranowanie magnetyczne.

W przypadku ekranowania rozproszonych pól magnetycznych w energoelektronice i elektrotechnice (magnesy trwałe, transformatory, obwody wysokoprądowe) często wystarczy po prostu zlokalizować znaczną część pola magnetycznego, zamiast próbować go całkowicie wyeliminować. Tarcza ferromagnetyczna — do ekranowania pól magnetycznych stałych i o niskiej częstotliwości

Pierwszym i najłatwiejszym sposobem ochrony pola magnetycznego jest zastosowanie osłony ferromagnetycznej (korpusu) w postaci walca, blachy lub kuli. Materiał takiej skorupy musi mieć wysoka przenikalność magnetyczna I mała siła przymusu.

Gdy taki ekran zostanie umieszczony w zewnętrznym polu magnetycznym, indukcja magnetyczna w ferromagnetyku samego ekranu okazuje się silniejsza niż wewnątrz obszaru ekranowanego, gdzie indukcja będzie odpowiednio mniejsza.

Rozważmy przykład ekranu w postaci wydrążonego cylindra.

Z rysunku wynika, że ​​linie indukcyjne zewnętrznego pola magnetycznego przechodzące przez ściankę ekranu ferromagnetycznego są pogrubione wewnątrz niego i bezpośrednio we wnęce cylindra, w związku z czym linie indukcyjne będą bardziej rozrzedzone. Oznacza to, że pole magnetyczne wewnątrz cylindra pozostanie minimalne. Dla wysokiej jakości wykonania wymaganego efektu stosowane są materiały ferromagnetyczne o wysokiej przenikalności magnetycznej, takie jak: permaloid lub mu-metal.

Nawiasem mówiąc, zwykłe pogrubienie ścianki ekranu nie jest najlepszym sposobem na poprawę jego jakości.Znacznie skuteczniejsze są wielowarstwowe ekrany ferromagnetyczne ze szczelinami między warstwami tworzącymi ekran, gdzie współczynnik ekranowania będzie równy iloczynowi współczynników ekranowania dla poszczególnych warstw — jakość ekranowania ekranu wielowarstwowego będzie lepsza niż efekt ciągła warstwa o grubości równej sumie warstw górnych.

Dzięki wielowarstwowym ekranom ferromagnetycznym możliwe jest tworzenie ekranowanych magnetycznie pomieszczeń do różnych badań. Zewnętrzne warstwy takich ekranów wykonane są w tym przypadku z ferromagnesów, które nasycają się przy dużych wartościach indukcji, natomiast ich wewnętrzne warstwy to metal mu, permaloid, metglass itp. — z ferromagnesów, które nasycają się przy niższych wartościach indukcji magnetycznej.

Tarcza miedziana — do ekranowania zmiennych pól magnetycznych

Jeśli konieczne jest ekranowanie zmiennego pola magnetycznego, stosuje się materiały o wysokiej przewodności elektrycznej, takie jak Miód.

W takim przypadku zmieniające się zewnętrzne pole magnetyczne będzie indukowało prądy indukcyjne w ekranie przewodzącym, które pokryją przestrzeń chronionej objętości, a kierunek pól magnetycznych tych prądów indukcyjnych w ekranie będzie przeciwny do zewnętrznego pola magnetycznego , przed którym ochrona jest w ten sposób zorganizowana. Dlatego zewnętrzne pole magnetyczne zostanie częściowo skompensowane.

Ponadto im wyższa częstotliwość prądów, tym wyższy współczynnik ekranowania. Odpowiednio, dla niższych częstotliwości, a tym bardziej dla stałych pól magnetycznych, najbardziej odpowiednie są ekrany ferromagnetyczne.

Współczynnik przesiewania K, w zależności od częstotliwości zmiennego pola magnetycznego f, wielkości sita L, przewodności materiału sitowego i jego grubości d, można w przybliżeniu wyznaczyć ze wzoru:

Zastosowanie ekranów nadprzewodzących

Jak wiecie, nadprzewodnik jest w stanie całkowicie odsunąć pole magnetyczne od siebie. Zjawisko to jest znane jako Efekt Meissnera… Według Reguła Lenza, każda zmiana pola magnetycznego w nadprzewodniku generuje prądy indukcyjne, które swoimi polami magnetycznymi kompensują zmianę pola magnetycznego w nadprzewodniku.

Jeśli porównamy go ze zwykłym przewodnikiem, to w nadprzewodniku prądy indukcyjne nie słabną i dlatego mogą wywierać kompensacyjny efekt magnetyczny przez nieskończenie (teoretycznie) długi czas.

Za wady metody można uznać jej wysoki koszt, obecność szczątkowego pola magnetycznego wewnątrz ekranu, które istniało przed przejściem materiału w stan nadprzewodzący, a także wrażliwość nadprzewodnika na temperaturę. W tym przypadku krytyczna indukcja magnetyczna nadprzewodników może osiągnąć dziesiątki tesli.

Metoda ekranowania z aktywną kompensacją

W celu zmniejszenia zewnętrznego pola magnetycznego można specjalnie wytworzyć dodatkowe pole magnetyczne, równe co do wartości, ale skierowane przeciwnie do zewnętrznego pola magnetycznego, przed którym ma być ekranowany określony obszar.

Osiąga się to poprzez wdrożenie specjalne cewki kompensacyjne (cewki Helmholtza) — para identycznych, ułożonych współosiowo cewek przewodzących prąd, które są od siebie oddalone o odległość promienia cewki. Między takimi cewkami uzyskuje się dość jednorodne pole magnetyczne.

Aby uzyskać kompensację całej objętości danego obszaru, potrzeba co najmniej sześciu takich cewek (trzy pary), które umieszcza się zgodnie z określonym zadaniem.

Typowe zastosowania takiego układu kompensacji to ochrona przed zakłóceniami niskoczęstotliwościowymi generowanymi przez sieci elektryczne (50 Hz) oraz ekranowanie ziemskiego pola magnetycznego.

Zazwyczaj systemy tego typu współpracują z czujnikami pola magnetycznego. W przeciwieństwie do ekranów magnetycznych, które redukują pole magnetyczne wraz z szumem w całej objętości ograniczonej przez ekran, zabezpieczenie czynne za pomocą cewek kompensacyjnych pozwala na eliminację zakłóceń magnetycznych tylko w lokalnym obszarze, do którego jest dostrojone.

Niezależnie od konstrukcji układu przeciwzakłóceniowego każdy z nich wymaga zabezpieczenia antywibracyjnego, gdyż drgania ekranu i czujnika przyczyniają się do generowania dodatkowych zakłóceń magnetycznych od samego wibrującego ekranu.